Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

Грызун поведенческое тестирование оценить функциональные дефициты, вызванные микроэлектродные имплантации в моторной коры крыса

doi: 10.3791/57829 Published: August 18, 2018

Summary

Мы показали, что микроэлектродные имплантации в моторной коры крыс вызывает немедленное и прочное моторного дефицита. Наброски здесь предложены методы, хирургия имплантации микроэлектродные и три грызунов поведенческих задач для выяснения возможных изменений в штраф или грубой моторной функции имплантации вызвало повреждение моторной коры.

Abstract

Медицинские приборы, имплантированных в мозг провести огромный потенциал. В рамках системы мозга машина интерфейс (BMI) intracortical микроэлектродов продемонстрировать способность записать потенциалы действия отдельных лиц или небольших групп нейронов. Такие записанные сигналы были использованы успешно разрешить пациентам интерфейс с или управлять компьютерами, Роботизированная конечностей и их собственных конечностей. Однако предыдущие исследования на животных показали, что микроэлектродные имплантации в мозге не только повреждений окружающих тканей, но также может привести к функциональным дефицита. Здесь мы обсуждаем ряд поведенческих тестов для количественной оценки потенциальных моторных дефектов после имплантации intracortical микроэлектродов на моторной коры крысы. Методы для открытого поля сетки, лестница пересечения и сцепление прочность тестирования предоставляют ценную информацию о возможных осложнений в результате имплантации микроэлектродные. Результаты поведенческих тестирования соотносятся с конечной гистологии, предоставляющих дополнительную информацию о патологических результатов и воздействия этой процедуры на соседние ткани.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Intracortical микроэлектродов первоначально были использованы для сопоставления схемы мозга и превратились в ценный инструмент для обнаружения мотор намерений, которые могут быть использованы для производства функциональных мероприятий1. Обнаруженные функциональных мероприятий может предложить лиц, страдающих от травм спинного мозга, ДЦП, боковой амиотрофический склероз (ALS) или других условий, ограничивающих движение контроль компьютер курсор2,3 или роботизированной рука4,5,6, или восстановить их собственных инвалидов конечности7функция. Таким образом intracortical микроэлектродные технология стала перспективное и быстро растущей области8.

Из-за успехи в области проводятся клинические исследования совершенствовать и лучше понять возможности BMI технологии5,9,10. Реализуя потенциал связи с нейронов в головном мозге, реабилитации приложений воспринимаются как безграничные8. Хотя есть большой оптимизм в отношении будущего intracortical микроэлектродные технологии, это также хорошо известно, что микроэлектродов в конечном итоге не11, возможно из-за острого neuroinflammatory ответ, после имплантации. Имплантация иностранных материалов в мозге приводит к немедленному повреждения окружающих тканей и приводит к дальнейшего ущерба, причиненного в ответ neuroinflammatory, который варьируется в зависимости от свойств имплантат12. Кроме того, имплантант в мозг может вызвать эффект microlesion: снижение метаболизма глюкозы, как считается, быть вызваны острый отек и кровотечение из-за вставки устройства13. Кроме того качество сигнала и продолжительность времени, которое полезно сигналы могут быть записаны несовместимы, независимо от модели на животных11,14,,1516. Несколько исследований показали связь между neuroinflammation и микроэлектродные производительности17,18,19. Таким образом консенсус сообщества является, что воспалительной реакции нервной ткани, которая окружает микроэлектродов, по крайней мере частично, подрывает надежность электрода.

Многие исследования изучены местные воспаления11,20,,2122 или изучить методы для уменьшения повреждения головного мозга, вызванные вставки11,23, 24,25, с целью повышения эффективности записи за время14,26. Кроме того мы недавно показали, что ятрогенной травмы, вызванные микроэлектродные вставки в моторной коры крыс вызывает немедленное и прочное тонкой моторные дефицит27. Таким образом, протоколов, представленные здесь призвана дать исследователям количественный метод для оценки возможного моторного дефицита в результате травмы головного мозга после имплантации и постоянное присутствие intracortical устройств (микроэлектродов в в случае этой рукописи). Поведение тесты, описанные здесь были разработаны дразнить из обоих нарушениями общей и мелкой моторики и может использоваться во многих моделях черепно-мозговой травмы. Эти методы являются простым, воспроизводимые и может быть легко реализован в модели грызунов. Кроме того представленные здесь методы позволяют корреляции моторного поведения гистологические результаты, выгоды, которые до недавнего времени не видели авторы опубликованных в поле BMI. Наконец, как эти методы были разработаны для проверки тонкой моторики28, грубые двигательные функции29и стресса и тревоги поведение29,30, представленные здесь методы могут также осуществляться в разнообразие моделей травмы головы, где исследователи хотят правило (или) любой дефицит двигательной функции.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Все процедуры и практики ухода за животными были одобрены и выполнены в соответствии с Луи Стокса Кливленд Департамента из ветеранов дел медицинский центр институциональных Уход за животными и использования комитетов.

Примечание: Воспитывать исследователей на решение об использовании модели травмы удар как элемент управления, рекомендуется рассмотреть работу, проделанную Поттер и др. 21.

1. микроэлектродные имплантации хирургическая процедура

  1. Предоперационного животных подготовка
    1. Анестезировать животного в камеру всасывание с помощью изофлюрановая (2-4%). Под наркозом, постоянно контролировать с помощью системы измерения жизненно важное значение для мониторинга сердечного ритма и содержание кислорода в крови животного.
    2. Переместите животное носовой конус продолжать анестетиков. Подкожно (SQ) придать цефалоспоринового антибиотика, например цефазолина (25 мг/кг) и нестероидные противовоспалительные, например carprofen (5 мг/кг) для предотвращения инфекции и управлять болью, соответственно.
    3. Либерально применять глазные мази в глаза животного, чтобы предотвратить их от высыхания.
    4. С помощью небольших животных кусачки, обрежьте ногти для предотвращения животное от царапин швы во время заживления ран. Убедитесь, что ногти не закреплены слишком коротким, поскольку это может привести к боли и кровотечения для животных.
    5. Бритье головы животного тщательно за уши, чтобы между глазами, используя электрическая бритва триммер.
    6. Предоставить местного обезболивания SQ инъекции бупивакаин (0,3 мл 0,125% Бупивакаин, разбавленным с Стоковый раствор) в верхней части головы животного в области разреза.
    7. Смонтируйте животное на стереотаксической рамки, с помощью уха баров держать голову от перемещения во время операции. Место циркулирующей воды, грелку под животного поддерживать внутреннюю температуру животного.
    8. Примените стерильные пелерина, например, институционально утвержденного стерильной полиэтиленовой пленкой, чтобы изолировать на операционном поле.
    9. Скраб хирургические области с помощью переменного Бетадин решения и изопропаноле скрабы.
    10. Выполните щепотку мыс согласно институциональных протокола для обеспечения что животное находится в плоскости хирургического.
  2. Готовить животных для имплантации
    1. Создание разреза около 1 в вниз средней линии, подвергая черепа с помощью лезвие скальпеля № 10. Тупо удалить надкостницы, используя хлопок наконечником аппликатором и остановить любое кровотечение используя марлевый тампон. Убрать окружающие ткани с помощью крокодил и чистые и обезвоживанию череп с перекисью водорода.
    2. Место несколько капель ткани на основе Цианакрилатный клей на подвергается черепа для улучшения стоматологического цемента, склеивание в последующих шагах.
    3. В выбранной полушарии Марк региона моторной коры соответствует лапы движение приблизительно 3 мм боковые средней линии и 2 мм впереди bregma, создавая Ник в кости.
    4. Удалите часть черепа с помощью сверла Стоматологическая 1,75 мм закругленными подсказка, принимая особое внимание не сверлить слишком быстро или слишком глубоко и поддержка одной рукой на Стереотаксическая рама. Упражнение следует применять к черепу периодически, чтобы избежать перегрева31.
    5. Отражать с помощью подобрать прекрасные зацепили 45° Дура Дура.
    6. Чистота, любое кровотечение с помощью хлопок наконечником аппликатором и физраствора, заботясь, чтобы непосредственно не коснитесь поверхности мозга.
  3. Вставки микроэлектродные в моторной коры
    1. Тщательно закрепите стерилизовать микроэлектродные в универсальный держатель на Стереотаксическая рама, принимая осторожностью не ударить хвостовик электрода. Убедитесь, что разъем интерфейса headstage электрода прочно удерживается держателем.
      Примечание: Здесь, был использован нефункциональные Мичиган стиль кремния хвостовик Электроды измерения 2 мм x 123 мкм x 15 мкм, и хвостовик был вставлен с помощью тонкой щипцами.
    2. С помощью микроманипуляторов на Стереотаксическая рама, тщательно Расположите наконечник электрода над открытым краниотомии.
    3. Аккуратно опустите электрода около 2 мм в мозг с помощью микроманипуляторов как измерения руководство (в зависимости от выбора электрода, автоматической вставки контролируемой скоростью может потребоваться.) Соблюдайте осторожность, чтобы избежать каких-либо видимых сосудистую, когда это возможно. Как только электрода в место, тщательно освободить разъем от держателя универсальной и убрать руку вставки.
    4. Тщательно очистите, любое кровотечение из вокруг электрода, используя хлопок наконечником аппликатором и физиологического раствора.
    5. Отрезать краниотомии вокруг имплантированных электродов с помощью силиконового эластомера.
    6. Исправьте электрода к черепу, с использованием стоматологического цемента.
    7. Как только цемент полностью высохнет, объединить края разреза на передней и задней headcap цемента и шовный материал, который их закрыть.
  4. Послеоперационный уход
    1. Разрешить животное, чтобы восстановить на циркулирующей воды, грелку продолжая контролировать его жизнедеятельности. Избегайте использования тепла лампы, как температура от лампы более трудно контролировать и животных может перегреться.
    2. Как только животное полностью проснулся, переместите животное чистой клетке с легким доступом к продовольствию и воде.
    3. Дни 1-3, послеоперационные предоставляют животных с кв цефалоспоринового антибиотика (25 мг/кг) и нестероидные противовоспалительные (5 мг/кг) для предотвращения инфекции и управлять их боль.
    4. Мониторинг животных ежедневно на признаки боли или дискомфорта, кровотечение, изменение веса или шов вопросов через по крайней мере послеоперационный день 5.

2. поведенческое тестирование

  1. Для всех испытаний поведение, подопытных животных 2 x одно испытание в течение недели до операции имплантации электродов для вычисления их предоперационного базовые ноты. После операции позволяют животных, чтобы отдохнуть за 1 неделю до начала тестирования 2 x в неделю на каждого испытания поведения. Последовательную условия испытаний должны использоваться на протяжении всего исследования для пред- и послеоперационные, тестирование, чтобы свести к минимуму воздействие стресса на производительность, что может привести к измерение тревоги.
    1. Очистите все оборудование с sterilant, на основе диоксида хлора, в начале каждой сессии тестирования и после каждого животного.
    2. Фильм открытое поле сетки и лестница тестирования. Эти тесты требуют видеокамера (1080p, минимум 15 fps, 78° диагональная поле зрения), ноутбук и комната для хранения видеоданных.
    3. В начале каждого дня тестирования, приносят животные в комнату, тестирования и позволяют им акклиматизироваться по крайней мере 20 минут до начала тестирования. Комната должна быть легкой и контролем температуры, и же персонала должен завершить все тестирования. В идеале же номер будет использоваться для всех животных на протяжении тестирования без изменений в комнату.
    4. Использование пищи награды поощрять животных для выполнения задач, особенно во время обучения лестница. Злаков или небольшие кусочки банановые чипсы или крекеры сделать хорошее вознаграждение.
    5. Нормализовать все загрузок тестирования выступления для предоперационного баллов для каждого отдельного животного (уравнение 1).
      Уравнение 1:Equation 1
  2. Откройте поле сетки тестирование
    Примечание: Открытое поле сетки тест был построен дом и есть беговая поверхность 1 m2 с приблизительно 40 см высокой непрозрачный боковые стенки. Рабочей поверхности сетки нижней делится на 9 равных квадратов снизу с помощью ленты (рис. 1А). Запись камеры постоянно монтируется над центр сетки на леса.
    1. Чтобы начать тестирование сетки открытое поле, поместите животное в центре сетки, стоящие вдали от тестера.
    2. Разрешить животное для запуска свободно на 3 мин во время записи видео.
    3. Когда животное завершил тестирование, удалите животное из сетки и вернуть его в клетке. Очистите сетку с тщательно sterilant на основе диоксида хлора.
    4. Проверьте каждое животное 1 x в день тестирования.
    5. Проанализируйте количество пересекли линии сетки, общее пройденное и максимальная скорость животного как показатели валового двигательной функции, с помощью программного обеспечения отслеживания видео.
      Примечание: Данные, представленные здесь были количественно вручную, подготовленных исследователями, но он предпочитает использовать недавно разработанных собственными силами отслеживания алгоритм32.
  3. Лестница тестирование
    Примечание: Тест лестница был построен дом и состоит из 2 акриловый боковых стенок, каждый 1 м в длину, соединены ступенями диаметром 3 мм на расстоянии 2 см друг от друга(рис. 2). Лестница тестирование является квалифицированный тест и поэтому требует 1 неделя подготовки до записи предоперационного базовые ноты. Протокол для обучения и тестирования является то же самое.
    1. Переместите животное временное чистой клетке, чтобы начать тестирование лестница.
    2. Настройте по лестнице, чтобы мосты 2 клетки. Начало конец лестницы основывается на чистой клетке, и готово конце зиждется на дома клетка животного в качестве мотивации для завершения выполнения.
    3. Позиция же (или аналогичный) видео камеру на штатив в центре по лестнице. Положение камеры должны быть на высоте ступеньки и позволяют для всей лестницы, чтобы увидеть.
    4. С видео-камеры запуска Держите животное на стартовую линию лестницы, позволяя их передние лапы на ощупь первая ступень.
    5. Разрешить животное, чтобы пересечь лестницы в своем собственном темпе. Время, прошедшее с момента, когда животное лапой трогает первую ступень и финиша в третий к последней инстанцией будет определять время животного пересечь.
    6. Если животное поворачивается на лестнице или не двигаться в течение 20 сек, рассмотреть животное удалось запустить. Назначьте штраф Оценка времени для каждого не удалось запустить животных. Определите время казни, низкую производительность, записанный во время предоперационного тестирования27.
    7. Разрешить каждое животное пересечь лестница 5 раз в день с приблизительно 1 мин отдыха между каждого запуска тестирования.
    8. Средняя быстрый 3 работает в день как метрики тонкой моторики. Кроме того Запишите количество раз каждый из передней лапы квитанции от перекладины, с помощью программного обеспечения отслеживания видео.
      Примечание: Данные, представленные здесь были количественно вручную, подготовленных исследователями, но он предпочитает использовать алгоритм недавно разработанных собственными силами отслеживания с помощью Дона и др. 32.
  4. Испытания прочности сцепления
    1. Калибровку метра прочности сцепления перед каждой сессии тестирования и измерения силы в граммах.
    2. Позиция сцепление сила метр на краю счетчика с руль сцепление, продлен на пол.
    3. Разрешить животное, чтобы захватить руль с обеими передними лапами удерживая животное по основанию хвоста (рисA).
    4. Как только животное имеет крепко с каждой лапой, тяните животных от метр основания хвоста с силой медленный и стабильный.
    5. Запишите максимальное сцепление прочность, оказываемое животное, которое будет отображаться на цифровой выход на метр прочности сцепления.
    6. Тестирование каждого животного 3 x за тестирование день с приблизительно 2 мин отдыха между каждого теста.
    7. В метрике тонкой моторики запись и среднее максимальное сцепление прочность выход от каждой из 3 испытания.

3. После поведенческие протокол

  1. После всех поведенческих тестирования (например, 8-16 недель после имплантации), анестезировать животных, глубоко с использованием кетамина (160 мг/кг) и ксилазина (20 мг/кг), transcardially perfuse их, урожай их мозги и крио ломтик их и пятно ткани с помощью иммуногистохимических маркеров для количественного определения клеточный ответ вокруг места имплантации33,34,35,36,,3738.

4. Статистический анализ

Примечание: Анализ перспективных питания настоятельно предложил для любых исследований, пытаясь ответить на вопрос конкретного исследования. Анализ питания, который сообщает количество животных, необходимых для обеспечения статистической значимости для дизайна конкретного исследования, должны основываться на конкретной исследовательской гипотезы, Дизайн эксперимент, размер сметных эффекта и изменчивость предполагаемого лечения, как хорошо эффект размер, необходимый для достижения клинической или научное значение.

  1. Проводить статистический анализ с помощью общего статистического программного обеспечения.
  2. Табулирование описательные статистические данные и отображать их в виде среднее ± стандартная ошибка.
  3. Анализ поведенческих показателей [в открытом поле сетки (шаг 2.2), лестница (шаг 2.3) и сцепление прочность тестирования (шаг 2.4)] в каждой загрузок момент времени для сравнения управления против имплантированных групп, используя двухвыборочный t тест. Рассмотрим каждую точку за время независимого меру.
  4. Количественно продольной производительности с использованием смешанных эффект линейной модели. Недели и группы являются фиксированными факторы и экспериментальных животных является вложенным внутри группы как случайный эффект. Дисперсионный анализ (ANOVA) используется для определения влияния фактора с уровнем значимости p < 0,05.
  5. Сравните производительность лестница с immunoglobin G (IgG) интенсивность используя линейный регрессионный анализ. Вычислить коэффициент корреляции Пирсона методом.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

С использованием представленные здесь методы, микроэлектродные хирургия имплантации в моторной коры – завершенных следующих установленных процедур39,40,41,42, следуют открытые поля сетки тестирования для оценки валового двигательные функции и лестница и сцепление прочность, тестирование для оценки тонкой двигателя функционировать27. Моторные функции тестирования была завершена 2 x в неделю в течение 16 недель после операции в имплантированных животных, с не-имплантированные животных хирургия как элемент управления. Все баллы после операции были в среднем в неделю и нормализуется для каждого отдельного животного предоперационного базовые ноты. Все ошибки сообщается как Среднеквадратичная ошибка среднего значения (SEM).

Чтобы измерить их валового двигательные функции и подчеркнуть поведение, животных было разрешено свободно запускать в открытом поле сетки тест на 3 мин (рис. 1А). Различные метрики из этого теста может быть записано, включая количество сетки, которую линии пересекаются, общее расстояние и максимальная скорость достигается животного. В этом сообщалось ранее данных количество линий сетки пересекли представлен27. В первую неделю после периода восстановления (2 недели timepoint), значительная разница был замечен в открытом поле сетки производительности между 2 группами. Однако было не далее значение на протяжении всего этого исследования (рис. 1Б). Управления и микроэлектродные имплантированные животных забил аналогично на протяжении тестирования, и разница в производительности был относительно высоким в обоих наборах животных. Значения не был замечен при сравнении производительности ГРИД открытом поле в обоих наборах животных через весь экспериментальный время. Потому что нет никакой разницы в производительности между 2 группами животных, чтобы указать, что нет валового мотор дефицит или серьезно ограничивающие стресс, вызванный микроэлектродные имплантации в моторной коры27было истолковано этот результат. При интерпретации данных, снижение количества линий сетки пересекают, общее расстояние, или максимальная скорость достигается всех животных свидетельствуют о снижении его грубой моторики (Таблица 1).

Чтобы измерить скоординированные хватки и тонкой моторики, животных принял участие в горизонтальной лестнице тест (рисA) где время он взял животное, чтобы пересечь лестница и частота лапы скользит были записаны. Послеоперационный лестница пересечения раз были нормализованы для каждого животного к каждому отдельному животному предоперационного оценки. Таким образом позитивный процент совпадает с уменьшением времени пересечь по лестнице и повышения производительности, и отрицательный процент совпадает с увеличением времени пересечь лестница и снижению производительности (рис. 2B, Таблица 1).

В этом сообщалось ранее данных управления животных, получив не имплантат, отображается самую низкую производительность раз (82.6 ± 26,0%), в течение первой недели после операции тестирования сразу же после восстановления этапа27. Начиная в течение второй недели после операции лестницы тестирования, контроля животных возобновил их базовой производительности раз и поддерживал баллы сопоставима с их базовые оценки в течение этого исследования с очень мало разницы.

Животных, получение intracortical микроэлектродные увидел снижение производительности сразу после операции. Эти животные продемонстрировал увеличение лестница, пересечения времени по сравнению с их базовых 199.1 ± 61,4% в течение первой недели после операции тестирования. Имплантированные животных отображается снижение производительности в течение всего исследования и их производительность не вернулись в свои базовые ноты. В их худших, имплантированных животных сократилась в производительности в течение недели 11 до в среднем 526.9 ± 139.4% по сравнению с их производительность. Кроме того имплантированных животных показали выше разница по сравнению с контрольных животных. В течение первой недели испытаний был не значительная разница между элементом управления и имплантированных животных. Однако, значительная разница в процентное изменение по сравнению с базовой раз был замечен между группами на всех последующих недель в исследовании (p < 0,05) (рис. 2B).

Дополнительные свидетельства тонкой двигательными нарушениями была продемонстрирована частоты передней правой лапой скользит между 2 группами животных. Производительность передней правой лапой был особый интерес, потому что микроэлектродов были имплантированы в левом полушарии мозга в регионе отвечает за передние лапы управления моторной коры. Путем тщательного анализа видео скользит лапы были хронику и количественно (рис. 2C). Хотя никаких значимых отличий были замечены в частоте левой лапой скользит, было установлено, что имплантированных животных испытывали значительно больше передней правой лапой скользит по сравнению с контролем животных (в среднем 0,54 ± 0,07 передней правой лапой проскальзывает в неделю имплантированного животных по сравнению с в среднем 0,32 ± 0,02 передняя правая Лапа скользит в неделю в контрольных животных). При интерпретации данных, увеличение времени пересечь лестница или увеличение числа лапы скользит указывает на снижение в тонкой моторики (Таблица 1).

Вторичные меры скоординированные хватки и тонкой моторики животных завершил сцепление прочность (рисA) где был записан максимальное сцепление прочность, оказываемое животных. Отдельных животных за сцепление баллы были нормализованы их прочности сцепления предоперационного базовых. Было замечено, что имплантированных животных послеоперационный сцепление прочность значительно сократилось по сравнению с управления животных в почти каждый момент времени после операции. (Рис. 3B). Прочность сцепления управления животных улучшилось после предоперационного тестирования, скорее всего из-за обучение эффект. Кроме того сила сцепления управления животных был значительно больше, чем базовый в ходе исследования (p < 0,05). Интересно, что имплантированных животных сцепление прочность производительность значительно хуже, чем базовая (p < 0.01) на первой неделе тестирования после этапа восстановления, но медленно вернули их производительность. Следует отметить уменьшение численности максимальное сцепление достигается животное указывает на снижение в тонкой моторики (Таблица 1).

Различных гистологических маркеров может использоваться для визуализации микроокружения вблизи мозга имплантата, включая нейрональных ядер, астроциты, blood - brain барьер стабильность и. Здесь мы провели иммуногистохимическое окрашивание для IgG, общего белка крови, не встречаются в головном мозге. Ранние работы показал, что IgG является полезным показателем blood - brain барьер целостности, как это антитело найдены в крови и обычно не присутствует в мозг16,18и поэтому присутствие IgG в окружающие ткани мозга может быть соотнесена целостности blood - brain барьер43. Здесь интенсивности флуоресценции IgG нормализована фон ткани мозга и количественных начиная на границе электрод эксплантация отверстие и выезда в закромах концентрическое пока IgG больше не присутствовал в ткани. Имплантированного животных показали значительное увеличение интенсивности IgG вблизи отверстие из 150 мкм по сравнению с контрольных животных. Интенсивность IgG в имплантированных животных постепенно вернулся в фон интенсивности над расстоянием, излучая с имплантированными микроэлектродные отверстие. В животных управления, имея никогда не были имплантированы с микроэлектродные нормализованных интенсивности IgG не присутствовал в значительных количествах выше интенсивность фона как blood - brain барьер не был поврежден в этих животных.

Потому, что существенные различия были замечены в лестнице производительность и интенсивность IgG, два были связаны (рис. 4). Здесь нормализованных интенсивности флуоресценции IgG площадь под кривой от 0-50 мкм из ткани электрод интерфейса для каждого животного коррелировалось с среднем лестница производительности каждого животного в течение этого исследования. Был определен коэффициент корреляции 0.90, демонстрируя очень сильная корреляция между тонкой моторные производительности и повреждения blood - brain барьер.

Figure 1
Рисунок 1 . Результаты испытаний представитель открытое поле сетки. (A) Эта группа показывает поведенческого тестирования установки для открытого поля сетки тест (для валового мотор и тревоги тестирования). Открытые поля сетки тест состоит из акрилового листа 1 m2 с 4 непрозрачные стены 40 см в высоту и площади нижней секции приблизительно 33 см. (B) Эта панель показывает валового двигательные функции производительность измеряется количество линий сетки пересекли, по сравнению с базовой производительности. Значительная разница в производительности был замечен между управления (n = 10) и имплантированных (n = 17) группы на 2 недели после операции (p < 0,05). Все ошибки сообщается как SEM. Эта цифра перепечатана из Госс-Варлей и др. 27 с разрешения от природы издательской группы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2 . Результаты испытаний представитель лестница. (A) Эта панель показывает поведенческого тестирования установки для лестницы тест (для тонкой двигательной функции тестирования). Лестница состоит из 2 ясно акриловые стороны 1 м в длину и 25 см в высоту, к которым присоединились перекладинами из нержавеющей стали, расположенных на 2 см, с диаметром 3 мм. (B) Эта группа показывает тонкой моторики производительность измеряется время пересечь лестница, по сравнению с базовой производительности. Результаты ниже пунктирной линии указывают на снижение производительности по сравнению с базовой производительности. Было обнаружено значительной разницы в производительности между управления (n = 10) и имплантированных (n = 17) групп для недель после операции 3-16 (* = p < 0,05, ** = p < 0.01) и продольно через весь исследования () # = p < 0,05). (C) Эта группа показывает количественных экземпляр квитанции правой передней лапой. Значительная разница была обнаружена в возникновении правой передней лапой скользит в неделю при сопоставлении элемента управления и имплантированных групп (* = p < 0,05). (D) это пример скольжения лапы. Все ошибки сообщается как SEM. Эта цифра перепечатана из Госс-Варлей и др. 27 с разрешения от природы издательской группы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3 . Результаты испытаний представитель сцепление прочность. (A) Эта панель показывает поведенческое тестирование установки для прочности сцепления (для тонкой двигательной функции тестирования). Метр прочности сцепления состоит из взвешенных базы с навесные прочность датчик подключен к ручка руля. (B) этой группы показывает, что производительность тонкой моторики, измеряется максимальное сцепление силы оказываемого по сравнению с базовой производительности. Результаты ниже пунктирной линии указывают на снижение производительности по сравнению с базовой производительности. Были замечены значительные различия между управления (n = 5) и имплантированных (n = 6) животных для почти всех послеоперационные недель (* = p < 0,05, ** = p < 0.01, *** = p < 0,001). Дополнительное значение был замечен между управления животных базовых и еженедельные выступления (# = p < 0,05) и между имплантированных животных базовых и еженедельные выступления (## = p < 0.01). Управления и имплантированных животных выполняется значительно отличаются продольно через всего исследования (@@@ = p < 0,001). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4 . Соотношение показателей IgG и лестница. Нормализованное интенсивности флуоресценции IgG вокруг места имплантации коррелировалось с изменением производительности лестница, и коэффициент корреляции 0.901 был найден (p < 0,001). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Table 1
Таблица 1. В целом Представитель поведение данных показаны увеличения и уменьшения в производительности по сравнению с базовой оценки для каждого тестирования метрики. Зеленые прямоугольники представляют повышение производительности, что делает маловероятным моторного дефицита, а красные коробки снижение производительности, что делает вероятность дефицита двигательной функции.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Протокол, изложенные здесь был использован для герметизации и эффективно измерить мелкой и крупной моторного дефицита в модели грызунов черепно-мозговой травмы. Кроме того она позволяет для корреляции тонкой моторного поведения гистологические результаты после имплантации микроэлектродные в моторной коры. Методы легко следовать, недорогой для установки и может быть изменен с учетом индивидуальных потребностей исследователь. Кроме того тестирование поведения не вызвать большой стресс или боль для животных; скорее исследователи полагают, что животные выросли наслаждаться упражнения и награды, которые пришли с тестирования. Предыдущие исследования показали, что ущерб моторной коры может вызвать мотор, памяти и функциональных повреждений44,45. Однако несмотря на это знание, имеется ограниченная информация о функциональных воздействия, вызванного микроэлектродные имплантации в моторной коры,27, которая может негативно сказаться на клинические исходы пациентов.

Изменения могут быть сделаны на протяжении протокол, как в хирургической процедуры, так и при тестировании поведения. Этот протокол описывается процедура для имплантата микроэлектродов в моторной коры животных в регионе, влияющих на передних лапах. Эта процедура может быть легко адаптирована варьировать имплантата, включая электроды для электростимуляции46 или канюли для доставки наркотиков47, или тип травмы, в том числе TBI модель48. Дальнейшие изменения могут быть сделаны скоринга метрик, используемых на открытом поле тест сетки, а также тестирование аппарат лестница. В дополнение к количество пересекли линии сетки общее расстояние ездил и максимальная скорость достигается животного, время, затраченное застойные и количество правого и левого поворотов также могут быть записаны как дополнительные параметры производительности двигателя32 . В тесте, лестница удаление перекладины49 или размещение по лестнице на наклон50 может увеличить трудности, хотя с текущей имплантатов авторы не нашли это необходимо дразнить из тонкой моторные дефицит в этом приложении. Наконец, хотя тестирование аппарат, представленные здесь были разработаны для использования с крысами, подразделения могла бы быть расширена вверх или вниз для использования с различными размера грызунов. Важно отметить, что если проблемы возникают, когда животное не сможет завершить предоперационного тестирования последовательно, животное исключить из исследования.

Как с всеми поведенческого тестирования, важно оставаться как можно более последовательными в течение этого исследования. Было показано, что результаты теста может изменяться на основании исследователя, сотрудничающего с животных51, место, в котором Тестирование выполнено52и экологические факторы, включая животных жилья и животноводства процедуры53. Кроме того исследования показали большой изменчивости в производстве травмой мозга через череп, Отопление во время процедуры краниотомии31 и модели TBI, включая вес падение модель54 и механические колебания в контролируемых корковых влияние модели55. Исследователи должны таким образом, уделять особое внимание для обеспечения согласованности в хирургической процедуры, тестирования и жилищных условий и тестирования персонала, среди других.

После тестирования, представленные здесь, чтобы обеспечить более тщательный результаты могли бы расширить будущие направления этих поведения, методы тестирования. Например вода лабиринт тест или тест стержень ротора могут быть включены для дальнейшего извлечения тревоги56 или брутто57 дефицита двигательной функции, соответственно. Кроме того будущая работа может также стремиться уменьшить повреждения тканей, вызванных устройство вставки в головном мозге. Текущую работу в этой области была сосредоточена на воспаление смягчения через антиоксидантное лечение42,58, механически совместимой имплантов41,,5960, ингибирование врожденный иммунитет сигнальный путь14,15и сокращение сосудистые повреждения во время имплантации устройства31,61.

Наконец необходимо рассматривать, что текущая работа была завершена с помощью здорового, несовершеннолетних, мужчина крыс, которые не обязательно запечатлеть характеристики типичного человека пациента, получение мозг имплантат. Дополнительные исследования, изучения дальнейших задач мелкой и крупной моторики в моделях характерные болезни требуется ратифицировать выводы, представленные здесь. В той или иной модели заболеванием различия между имплантированных и не имплантированных Шам животных может потребовать вышеупомянутые изменения условий теста.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Это исследование было поддержано в части обзора заслуги #B1495-R (Capadona) и премии президента ранней карьеры для ученых и инженеров (PECASE, Capadona) от Соединенных Штатов Америки (США) Отдел ветеранов вопросам реабилитации исследований и Служба развития. Кроме того эта работа частично поддерживалась Управлением из помощника министра обороны по вопросам здравоохранения через Peer обзор медицинских исследований программы под № премии W81XWH-15-1-0608. Содержимое не представляют взгляды Департамента США по делам ветеранов или правительства Соединенных Штатов. Авторы хотели бы поблагодарить Доктор Хироюки Arakawa в ядре поведение грызунов КЕЙЗА за его руководство в разработке и грызунов поведенческих протоколы испытаний. Авторы также хотели бы поблагодарить Джеймса Дрейк и Кевин Talbot от КЕЙЗА Департамент механической и аэрокосмической инженерии за их помощь в проектировании и производстве теста грызунов лестница.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sprague Dawley rats, male, 201-225g Charles River CD
Compac5 anesthesia system Vetequip 901812
Electric trimmers Wahl 9918-6171
Stereotaxic frame David Kopf Instruments 1760
Gaymar heated water pad and pump Braintree Scientific Inc  TP-700
Vetbond tissue adhesive 3M 07-805-5031
Dental drill Pearson Dental O60-0045
Dura pick Fine Science Tools 10064-14
Silicon shank microelectrode Made in-house at Cleveland VA Medical Center N/A
KwikCast silicone elastomer World Precision Instruments KWIK-CAST
Teets dental cement  A-M Systems 525000
Webcam HD Pro c920 Logitec 960-000764
Grip strength meter Harvard Apparatus 565084
Minitab 17 statistical software Minitab Inc
Open field grid test Made in-house at Case Western Reserve University N/A
Ladder test Made in-house at Case Western Reserve University N/A
Rabbit anti rat IgG antibody Bio-Rad 618501

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Donoghue, J. P. Bridging the brain to the world: a perspective on neural interface systems. Neuron. 60, (3), 511-521 (2008).
  2. McFarland, D. J., Sarnacki, W. A., Wolpaw, J. R. Electroencephalographic (EEG) control of three-dimensional movement. Journal of Neural Engineering. 7, (3), 036007 (2010).
  3. Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101, (51), 17849-17854 (2004).
  4. Bell, C. J., Shenoy, P., Chalodhorn, R., Rao, R. P. Control of a humanoid robot by a noninvasive brain-computer interface in humans. Journal of Neural Engineering. 5, (2), 214-220 (2008).
  5. Collinger, J. L., et al. High-performance neuroprosthetic control by an individual with tetraplegia. The Lancet. 381, (9866), 557-564 (2013).
  6. Hochberg, L. R., et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature. 485, (7398), 372-375 (2012).
  7. Ajiboye, A. B., et al. Restoration of reaching and grasping movements through brain-controlled muscle stimulation in a person with tetraplegia: a proof-of-concept demonstration. The Lancet. 389, (10081), 1821-1830 (2017).
  8. Bowsher, K., et al. Brain-computer interface devices for patients with paralysis and amputation: a meeting report. Journal of Neural Engineering. 13, (2), 023001 (2016).
  9. Taylor, D. M., Tillery, S. I., Schwartz, A. B. Direct cortical control of 3D neuroprosthetic devices. Science. 296, (5574), 1829-1832 (2002).
  10. Taylor, D. M., Tillery, S. I., Schwartz, A. B. Information conveyed through brain-control: cursor versus robot. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11, (2), 195-199 (2003).
  11. Jorfi, M., Skousen, J. L., Weder, C., Capadona, J. R. Progress towards biocompatible intracortical microelectrodes for neural interfacing applications. Journal of Neural Engineering. 12, (1), 011001 (2015).
  12. Anderson, D. J. Penetrating multichannel stimulation and recording electrodes in auditory prosthesis research. Hearing Research. 242, (1-2), 31-41 (2008).
  13. Pourfar, M., et al. Assessing the microlesion effect of subthalamic deep brain stimulation surgery with FDG PET. Journal of Neurosurgery. 110, (6), 1278-1282 (2009).
  14. Hermann, J. K., et al. Inhibition of the cluster of differentiation 14 innate immunity pathway with IAXO-101 improves chronic microelectrode performance. Journal of Neural Engineering. (2018).
  15. Bedell, H. W., et al. Targeting CD14 on blood derived cells improves chronic intracortical microelectrode performance in chronic modified state of neuroinflammation. Biomaterials. 163, 163-173 (2018).
  16. Kozai, T. D. Y., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies. ACS Chemical Neuroscience. 6, (1), 48-67 (2015).
  17. Rennaker, R. L., Miller, J., Tang, H., Wilson, D. A. Minocycline increases quality and longevity of chronic neural recordings. Journal of Neural Engineering. 4, (2), 1-5 (2007).
  18. Saxena, T., et al. The impact of chronic blood-brain barrier breach on intracortical electrode function. Biomaterials. 34, (20), 4703-4713 (2013).
  19. Kozai, T. D., et al. Effects of caspase-1 knockout on chronic neural recording quality and longevity: insight into cellular and molecular mechanisms of the reactive tissue response. Biomaterials. 35, (36), 9620-9634 (2014).
  20. Biran, R., Martin, D., Tresco, P. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Experimental Neurology. 195, (1), 115-126 (2005).
  21. Potter, K. A., Buck, A. C., Self, W. K., Capadona, J. R. Stab injury and device implantation within the brain results in inversely multiphasic neuroinflammatory and neurodegenerative responses. Journal of Neural Engineering. 9, (4), 046020 (2012).
  22. Szarowski, D. H., et al. Brain responses to micro-machined silicon devices. Brain Research. 983, (1-2), 23-35 (2003).
  23. Gunasekera, B., Saxena, T., Bellamkonda, R., Karumbaiah, L. Intracortical recording interfaces: current challenges to chronic recording function. ACS Chemical Neuroscience. 6, (1), 68-83 (2015).
  24. Villalobos, J., et al. Preclinical evaluation of a miniaturized Deep Brain Stimulation electrode lead. Conference Proceedings: Annual International Conferences of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2015, 6908-6911 (2015).
  25. Zhong, Y., Bellamkonda, R. V. Controlled release of anti-inflammatory agent alpha-MSH from neural implants. Journal of Controlled Release. 106, (3), 309-318 (2005).
  26. Gage, G. J., et al. Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals. Journal of Visualized Experiments. (60), e3565 (2012).
  27. Goss-Varley, M., et al. Microelectrode implantation in motor cortex causes fine motor deficit: implications on potential considerations to brain computer interfacing and human augmentation. Scientific Reports. 7, 15254 (2017).
  28. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Cortical and subcortical lesions impair skilled walking in the ladder rung walking test: a new task to evaluate fore- and hindlimb stepping, placing, and co-ordination. Journal of Neuroscience Methods. 115, (2), 169-179 (2002).
  29. Bailey, K. R., Crawley, J. N. Anxiety-related behaviors in mice. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. Buccafusco, J. J. CRC Press. Boca Raton, FL. chapter 5 (2009).
  30. Prut, L., Belzung, C. The open field as a paradigm to measure the effects of drugs on anxiety-like behaviors: a review. European Journal of Pharmacology. 463, (1-3), 3-33 (2003).
  31. Shoffstall, A. J., et al. Potential for thermal damage to the blood-brain barrier during craniotomy procedure: implications for intracortical recording microelectrodes. Journal of Neural Engineering. (2017).
  32. Dona, K. R., et al. A novel single animal motor function tracking system using MATLAB's computer vision toolbox to assess functional deficits. Journal of Visualized Experiments. Under Review (2018).
  33. Ereifej, E. S., et al. Implantation of neural probes in the brain elicits oxidative stress. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. (2018).
  34. Ereifej, E. S., et al. The neuroinflammatory response to nanopatterning parallel grooves into the surface structure of intracortical microelectrodes. Advanced Functional Materials. (2017).
  35. Ravikumar, M., et al. The roles of blood-derived macrophages and resident microglia in the neuroinflammatory response to implanted intracortical microelectrodes. Biomaterials. 0142-9612, (35), 8049-8064 (2014).
  36. Potter-Baker, K. A., et al. A comparison of neuroinflammation to implanted microelectrodes in rat and mouse models. Biomaterials. 34, 5637-5646 (2014).
  37. Nguyen, J. K., et al. Influence of resveratrol release on the tissue response to mechanically adaptive cortical implants. Acta Biomaterialia. 29, 81-93 (2016).
  38. Ravikumar, M., et al. The effect of residual endotoxin contamination on the neuroinflammatory response to sterilized intracortical microelectrodes. Journal of Materials Chemistry B. 2, 2517-2529 (2014).
  39. Potter, K. A., Simon, J. S., Velagapudi, B., Capadona, J. R. Reduction of autofluorescence at the microelectrode-cortical tissue interface improves antibody detection. Journal of Neuroscience Methods. 203, (1), 96-105 (2012).
  40. Potter, K. A., et al. Curcumin-releasing mechanically-adaptive intracortical implants improve the proximal neuronal density and blood-brain barrier stability. Acta Biomaterialia. 10, (5), 2209-2222 (2014).
  41. Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11, 056014 (2014).
  42. Potter, K. A., et al. The effect of resveratrol on neurodegeneration and blood brain barrier stability surrounding intracortical microelectrodes. Biomaterials. 34, 7001-7015 (2013).
  43. McConnell, G. C., et al. Implanted neural electrodes cause chronic, local inflammation that is correlated with local neurodegeneration. Journal of Neural Engineering. 6, (5), 056003 (2009).
  44. Hamm, R. J., Pike, B. R., O'Dell, D. M., Lyeth, B. G., Jenkins, L. W. The rotarod test: an evaluation of its effectiveness in assessing motor deficits following traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 11, (2), 187-196 (1994).
  45. Teuber, H. L. Recovery of function after brain injury in man. Ciba Foundation Symposium. (34), 159-190 (1975).
  46. Carmel, J. B., Kimura, H., Martin, J. H. Electrical stimulation of motor cortex in the uninjured hemisphere after chronic unilateral injury promotes recovery of skilled locomotion through ipsilateral control. Journal of Neuroscience. 34, (2), 462-466 (2014).
  47. Hayn, L., Koch, M. Suppression of excitotoxicity and foreign body response by memantine in chronic cannula implantation into the rat brain. Brain Research Bulletin. 117, 54-68 (2015).
  48. Marklund, N. Rodent models of traumatic brain injury: methods and challenges. Methods in Molecular Biology. 1462, 29-46 (2016).
  49. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. The ladder rung walking task: a scoring system and its practical application. Journal of Visualized Experiments. (28), e1204 (2009).
  50. Pajoohesh-Ganji, A., Byrnes, K. R., Fatemi, G., Faden, A. I. A combined scoring method to assess behavioral recovery after mouse spinal cord injury. Neuroscience Research. 67, (2), 117-125 (2010).
  51. Chesler, E. J., Wilson, S. G., Lariviere, W. R., Rodriguez-Zas, S. L., Mogil, J. S. Influences of laboratory environment on behavior. Nature Neuroscience. 5, (11), 1101-1102 (2002).
  52. Crabbe, J. C., Wahlsten, D., Dudek, B. C. Genetics of mouse behavior: interactions with laboratory environment. Science. 284, (5420), 1670-1672 (1999).
  53. Richter, S. H., Garner, J. P., Auer, C., Kunert, J., Wurbel, H. Systematic variation improves reproducibility of animal experiments. Nature Methods. 7, (3), 167-168 (2010).
  54. Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nature Reviews Neuroscience. 14, (2), 128-142 (2013).
  55. Osier, N. D., Dixon, C. E. The controlled cortical impact model: applications, considerations for researchers, and future directions. Frontiers in Neurology. 7, 134 (2016).
  56. Harrison, F. E., Hosseini, A. H., McDonald, M. P. Endogenous anxiety and stress responses in water maze and Barnes maze spatial memory tasks. Behavioural Brain Research. 198, (1), 247-251 (2009).
  57. Jackson, J. R., et al. Reduced voluntary running performance is associated with impaired coordination as a result of muscle satellite cell depletion in adult mice. Skeletal Muscle. 5, 41 (2015).
  58. Potter-Baker, K. A., et al. Implications of chronic daily anti-oxidant administration on the inflammatory response to intracortical microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 12, (4), 046002 (2015).
  59. Ware, T., Simon, D., Rennaker, R. L., Voit, W. Smart polymers for neural interfaces. Polymer Reviews. 53, (1), 108-129 (2013).
  60. Ecker, M., et al. Sterilization of thiol-ene/acrylate based shape memory polymers for biomedical applications. Macromolecular Materials and Engineering. 302, (2), 160331 (2017).
  61. Kozai, T., et al. Reduction of neurovascular damage resulting from microelectrode insertion into the cerebral cortex using in vivo two-photon mapping. Journal of Neural Engineering. 7, (4), 046011 (2010).
Грызун поведенческое тестирование оценить функциональные дефициты, вызванные микроэлектродные имплантации в моторной коры крыса
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Goss-Varley, M., Shoffstall, A. J., Dona, K. R., McMahon, J. A., Lindner, S. C., Ereifej, E. S., Capadona, J. R. Rodent Behavioral Testing to Assess Functional Deficits Caused by Microelectrode Implantation in the Rat Motor Cortex. J. Vis. Exp. (138), e57829, doi:10.3791/57829 (2018).More

Goss-Varley, M., Shoffstall, A. J., Dona, K. R., McMahon, J. A., Lindner, S. C., Ereifej, E. S., Capadona, J. R. Rodent Behavioral Testing to Assess Functional Deficits Caused by Microelectrode Implantation in the Rat Motor Cortex. J. Vis. Exp. (138), e57829, doi:10.3791/57829 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter